運載火箭技術成熟度評價應用研究

◎ 中國航天系統科學與工程研究院 章 威 謝偉華 包彥明 常 青

當前，運載火箭發射具有發射密度高、時間緊、任務重、重型運載火箭研發難度大等特點，如何減少技術風險，提高研發效率顯得尤為重要。針對這個問題，美英等國推行了技術成熟度評價，對裝備技術發展狀態進行定量評價，識別其中的技術風險，為裝備采辦項目轉段決策提供支撐，取得了良好的經濟和軍事效益。目前，技術成熟度評價已被國際上許多國家作為技術管理的重要“抓手”，用于科技立項、過程檢查、項目驗收和采辦等重要環節。例如，美國、歐盟等國家已經將技術成熟度評價應用在武器裝備采辦、航天工程的項目管理中，并逐步擴大到先進制造、環境保護、核電工程、油氣開發、醫藥研制、航空航天、武器裝備、電子器件等諸多領域[1]。

本文在研究國內外技術成熟評價方法的基礎上，建立了運載火箭技術成熟度評價模型，對技術成熟度等級、評價準則、評價體系和評估方法進行定義和構建，并基于熵權和模糊綜合評價方法對運載火箭技術成熟評鑒進行了算例演示。

一、 技術成熟度概述

技術成熟度（Technology Readiness Level，TRL）是國際上廣泛使用的對重大科技攻關和工程項目的技術研發進展進行量化評價的方法。它將一項技術從基本原理到成功應用的成熟過程劃分為4個階段，共9個級別：第一階段是原理和技術概念驗證階段（TRL1—TRL3）；第二階段是技術攻關和演示驗證階段（TRL4—TRL6）；第三階段是產品開發和驗證階段（TRL7—TRL8）；第四階段是產品使用驗證階段（TRL9）。其中技術成熟度共9級，其定義為：TRL1指觀察到并報道了與該項技術有關的基本原理；TRL2指形成了技術概念和/或應用設想；TRL3指在實驗室環境中通過分析和試驗的手段進行關鍵性功能驗證和/或概念驗證；TRL4指在實驗室環境中對部件或者面包板進行了驗證；TRL5指在相應的環境中對部件或者面包板進行了驗證；TRL6指系統/分系統的模型或者原型在相應的地面或者空間環境中進行了演示；TRL7指在空間環境中對系統原型進行了演示；TRL8指實際系統完成研制，并通過地面或空間的試驗和演示取得了“飛行資格”；TRL9指通過成功執行任務，實際系統得到了飛行驗證[2]。

進入21世紀后，越來越多的機構開始研究和使用技術成熟度評價方法。例如，美國國防部（DoD）、美國審計署、美國能源部、美國衛生與公眾服務部、法國國防部、英國國防部、北大西洋公約組織和歐空局等機構，普遍制定了不同領域的技術成熟度評價準則，一些機構或組織還制定了技術成熟度使用要求和指南。技術成熟度評價能夠為管理部門掌握技術攻關進展、識別技術短板、避免不夠成熟的技術提前轉入下一個研制階段等提供技術管理工具。

二、 國內外應用情況

（一）國外應用情況

美國國防部（DoD）先后制定了2003、2005、2009、2011共4個版本的技術成熟度評價指南，用于指導國防采辦項目開展技術成熟度評價工作；該指南除了包括宇航、艦船類技術等評價準則外，同時，還包括醫藥類技術成熟度評價準則，如生物醫藥、醫療器械、醫療信息系統的研究、開發、測試和評估等。美國空間實驗室（AFRL）研究編寫了關于技術成熟度評價的書籍。美國國家航空航天局（NASA）系統工程手冊中明確了技術成熟度的9級定義、評估矩陣和評估流程。美國導彈防御局（MDA）在美國國防部（DoD）技術成熟度評價指南的基礎上，研究制定了技術成熟度評價檢查清單，用以提高技術成熟度評價實施過程中的可操作性和準確性。2005年9月，美國國土安全部（DHS）制定了技術成熟度評估的項目管理模型，該模型包括評價過程中各級評估的問題檢查單、完成標準和關鍵交付物等。2008年，NASA發布了新版的程序文件《NASA研究項目、技術項目和工程管理要求》，規定了技術成熟度的9級定義及其評估流程。同年，歐空局（ESA）發布了空間項目技術成熟度手冊，詳細給出了技術成熟度的各級內涵，進行技術成熟度評價時需要回答的關鍵問題，以及提供的證據要求。2013年，國際標準化組織ISO發布了“空間項目技術成熟度定義和評價準則”[3]。

國外通過技術成熟度評價實踐，總結出項目各階段的技術成熟度等級要求。例如，美國國防部（DoD）提出當方案研究階段結束轉入技術開發階段時，關鍵技術應達到TRL4級，即達到里程碑決策點A；采辦項目由技術開發階段轉入系統演示與開發階段，關鍵技術通過相關環境演示驗證可達到TRL6級，即達到里程碑決策點B；采辦項目由系統開發與演示階段轉入生產與部署階段，關鍵技術應達到TRL7級，即達到里程碑決策點C。此外，美國國會立法要求NASA對進入重大系統開發合同的技術應達到TRL6級。

（二）國內應用情況

近年來，技術成熟度評價在國內也逐步得到了研究和推廣應用，在諸多方面發揮了重要的作用，其作用和價值得到了廣泛認可。2009年，國防科技工業局制定下發了《軍工核心能力重大項目技術成熟度評價報告審核程序》，要求把技術成熟度評價報告作為重大項目指南編制和項目立項的重要依據之一。原國家質量監督檢驗檢疫總局和國家標準化管理委員會聯合發布了《科學技術項目評價通則》（GB/T22900—2009），此標準采用技術就緒水平（即技術成熟度）作為一種量化管理的方法，對基礎研究、應用研究和開發研究這3類項目的投入產出效率進行了評價。2012年，原總裝備部制定了《裝備預先研究技術成熟度評價暫行辦法》等法規，以及配套的國家軍用標準（GJB7688—2012《裝備技術成熟度等級劃分及定義》、GJB7689—2012《裝備技術成熟度評價程序》）。2013年，原總裝備部開始組織并研究制定9個不同裝備類型的技術成熟度評價指南。同時結合重大工程，研究制定專門的技術成熟度評價規范，如專項工程技術成熟度評價規范、載人航天工程技術成熟度評估規范[4]。2013年，中國工程院在國家科技重大專項中期評估工作中，采用了技術成熟度方法對民口10個國家科技重大專項的關鍵核心技術進行評價。2014年和2015年，科學技術部科技評估中心在國家科技重大專項年度監督評估中也采用技術成熟度方法對10個國家科技重大專項的關鍵核心技術進行評價。中國石油天然氣集團公司研究制定了油氣勘探類、油氣開發類、工程類技術（石油地球物理）、工程類技術（測井）、工程類技術（鉆井）5類技術的技術成熟度評價準則。2015年，在國家能源局核電司的支持下，國家核電技術公司聯合中國航天系統科學與工程研究院制定《核電技術成熟度評價規范》國家核電行業標準。目前，我國諸多行業正在開展技術成熟度方法研究工作，部分行業已制定其行業標準或企業標準。

三、 運載火箭技術成熟評價方法

（一）項目技術分解

項目技術分解是開展技術成熟度評價的基礎，由項目總負責人牽頭篩選。利用技術成熟度方法對某運載火箭進行評估的首要工作就是技術分解，將項目分解成若干個關鍵技術。在確定各關鍵單項技術成熟度的基礎上，可對項目整體技術成熟度進行評價，得到技術成熟度等級。

（二）關鍵技術選擇

通過對比項目技術分解結構中的技術，篩選出關鍵技術。判斷某項技術是關鍵技術的一般原則是此技術是一種全新或新穎的技術，或者以全新或新穎的方式使用的技術，對實現系統成功開發或決定項目成敗必須突破且無可替代的技術。

（三）評價準則制定

本文按照技術成熟度通用等級的定義，結合運載火箭的技術成熟規律，包括方案階段、初樣、試樣等各研制階段的特點，制定了運載火箭的技術成熟度評價準則，并以氫氧發動機推進技術為例進行說明，見表1。

（四）熵權法及模糊綜合評價方法

1.熵權法

將某運載火箭技術分解成各項關鍵技術，采用熵權法確定各項關鍵技術的權重。熵的概念最早由Shannon提出，他同時提出一個對離散信息源產生的信息量進行度量的公式，用于度量系統狀態的無序和混亂程度。

表1 運載火箭等級定義及案例說明

在有m個評價指標、n個被評價對象的評估問題（以下簡稱（m，n））情況下，將第i個評價指標的熵定義為：

式中，k=1/lnn；當rij=0時，可令rijlnrij=0。

將熵權作為單項技術的權重，其表示在給定被評價對象集及確定各評價指標后，各指標在競爭意義上的相對激烈程度系數。在技術風險評估過程中，如果評價因素對評判集中各評語的隸屬度值相差較大，此時信息熵值較少，熵權較大，說明該因素在評價中的作用較大。

2.模糊綜合評價方法

模糊綜合評價方法適用于模糊概念，且又能量化的評價問題，其基本原理如下：

給定模糊子集A和評價項目U，對于一個函數R（u），且R（u）∈[0，1]，則稱為待評價項目U相對于A的隸屬矩陣。

假設評語集為：

評價對象Xi相對于評語集的隸屬度為rij，以此構建隸屬度矩陣。隸屬度是多個評價主體對某個評價對象在某方面做出某種程度可能性的認可度。

3.關鍵技術成熟度評價矩陣構建

采用模糊綜合評價方法對某運載火箭項目關鍵技術成熟度等級進行評價，假設待評價關鍵技術數量為m，待評價問題（技術成熟度等級達到程度）為n。評語集u=（TRL1，TRL2，…，TRLn），由相關領域專家對各關鍵技術相對評語集的支持程度進行評價，形成技術成熟度隸屬矩陣：

對隸屬度矩陣進行歸一化處理，其中：

根據信息熵的定義，在上述各評價指標隸屬度基礎上，通過公式（1）計算指標熵權：

其中，wi越大表示該技術在某運載火箭系統中的作用越大。

技術成熟度綜合評分總得分為：TRL=（TRLn，TRLn-1，…，TRL1）ST，S=wR，S為指標綜合隸屬度，可通過此公式計算得出某運載火箭的技術成熟度等級。

四、 案例應用

（一）構建項目關鍵技術分解結構

本文基于熵權法及模糊綜合評價的技術成熟度評價方法對某運載火箭在××年××月研制過程中的技術成熟度水平進行評價。圖1是某運載火箭關鍵技術分解情況。

圖1 某運載火箭關鍵技術分解情況

（二）運載火箭關鍵技術隸屬度矩陣構建

基于運載火箭，選擇相關技術領域的5名專家，對項目涉及的關鍵技術系統進行篩選，確定8項關鍵技術，并對各項關鍵技術開展技術成熟度專家評價。技術成熟度等級劃分采用了上述的9級方法，構建關鍵技術成熟度評語集，形成技術成熟度評價隸屬度矩陣。矩陣的數據從左到右為技術TRL9級到TRL1級依次排列，矩陣中的數字表示贊同此級別的專家人數，例如，矩陣中的第一行表明，有2位專家認為此項技術達到了TRL7級，有2位專家認為此項技術達到了TRL6級，一位專家認為此項技術為TRL5級。

將其進行歸一化處理：

隸屬度rij為專家對此項關鍵技術在相應技術成熟度等級上的認可程度，且

（三）運載火箭關鍵技術熵權及成熟度等級評價

（1） 計算各關鍵技術熵權系數。根據公式 （1），可得到8個指標的權重向量w=（0.1145，0.125，0.125，0.1145，0.157，0.1145，0.125，0.125）。

（2）計算運載火箭技術成熟度等級。根據公式（2）計算運載火箭技術成熟度水平為：TRL=[9，8，7，6，5，4，3，2，1]·RT·wT=6.24，評價結果顯示該項目技術成熟度等級為6+級，項目關鍵技術已突破，無顛覆性風險，可以申請型號轉段評審。

五、 結論與展望

技術成熟度方法作為一種量化考核管理方法，在我國國防領域已得到了廣泛的應用，但目前尚未發現應用技術成熟度在運載火箭開展評價的文章。本文參考國內外技術成熟度的發展應用情況，結合運載火箭研發實際，提出了一個較全面的技術成熟度評價方法，包括技術分解、關鍵技術選擇、評價準則制定，以及基于熵權和模糊綜合評價的綜合集成方法，在得到各關鍵技術等級的基礎上，綜合集成計算出某運載火箭的技術成熟度等級，并通過示例驗證了方法的實用性和有效性，為運載火箭開展技術成熟度評價提供了借鑒。